基于纳米钻石NV色心的分布式光纤磁场传感机理研究

The distributed optical fiber magnetic sensor based on nitrogen-vacancy（NV） center in nanodiamonds will be theoretically and experimentally researched in the program. This sensor realizes distributed fiber magnetic field sensing, the structure of the novel distributed optical fiber magnetic sensor based on the specialty microstructure optical fibers which combine with the NV center in nanodiamonds optically detected magnetic resonance (ODMR) technique and optical time domain reflection (OTDR) technique. The fiber transmission the evanescent field of excitation light to excite the NV center in nanodiamonds produce fluorescence, with the effect of the microwave scanning ODMR spectroscopy to measure the magnetic field, the fluorescence signal utilized OTDR technology to record the magnetic field position. Measuring the magnetic field by the nanodiamonds ODMR, and combined with the OTDR measurement position to realize the magnetic intensity measurement of the distributed magnetic field sensing. A multi-point measurement distributed optical fiber magnetic field sensor is manufactured based on the deeply system research about the structure of the distributed optical fiber magnetic sensor and sensing characteristics, optical characteristics etc. The structure of this magnetic field sensor is small size flexible operation and high sensitivity which provides wide application prospect in magnetic field space multi-point measurement and optical fiber integrated device. This program is significance for the development and application of new optical fiber sensing technology in China.

本项目拟对基于纳米钻石NV色心的分布式光纤磁场传感器开展理论与实验研究。该传感器可实现分布式光纤磁场传感测量，它将基于纳米钻石NV色心光测磁共振技术（ODMR）、光时域反射技术(OTDR)与特种微结构光纤相结合，构成新型分布式光纤磁场传感器。激发光在光纤中以倏逝场形式激发具有NV色心的纳米钻石产生荧光，在微波作用下扫描ODMR谱测量磁场，该荧光信号采用OTDR技术测量、记录磁场位置。以纳米钻石的ODMR谱测量磁场，与OTDR记录的位置相结合实现磁场强度的分布式传感测量。通过对分布式光纤磁场传感器的结构、传感特性、光学特性等加以深入系统研究，制备出可多点测量的分布式光纤磁场传感器。与其他磁场传感器相比，该传感器体积小，操纵灵活，灵敏度高，在磁场空间内分布传感、光纤集成器件等领域都具有广阔的应用前景。对于促进我国新型光纤传感技术的发展与应用具有十分重要意义。

本项目对基于纳米钻石NV色心的分布式光纤磁场传感器开展理论与实验研究。.主要研究内容包括：.（a）开展了基于纳米钻石NV色心的光纤磁场传感器的机理研究.从纳米钻石NV色心发光的基本原理出发，研究纳米钻石NV色心的ODMR谱。研究基于光纤倏逝场的激发光和荧光与纳米钻石的耦合方式以及在微波作用下纳米钻石NV色心磁场测量的模型结构。.（b）研究了基于纳米钻石NV色心光纤磁场传感器的结构设计与实现方案.带有纳米钻石的光纤是光纤磁场传感器得以实现的核心部件。研究了光纤芯与沉积纳米钻石间距离、微波源载入、NV色心ODMR谱损耗、光纤激发光传输损耗、荧光的传输损耗、耦合效率、加工难度等一系列影响因素。.（c）基于纳米钻石NV色心光纤磁场传感器集成的理论与实验研究.特种光纤作为传感信息传输的载体，对其进行结构设计是为了满足磁场传感器件对光路结构的要求，实现特种光纤与纳米钻石以及微波源间的结合是实现光纤磁场传感器的关键性问题。尝试研究了以OTDR技术为基础的分布式光纤磁场传感器。.本项目的目标是设计并制作一种基于特种光纤纳米钻石NV色心的光纤磁场传感器来实现分布式磁场测量。项目提出的基于纳米钻石NV色心及OTDR技术的分布式光纤磁场传感器，发展了NV色心磁场测量在分布式光纤传感领域内的一个新的实用化方案，为弱磁场传感带来了更为丰富的物理内涵，实现了多点磁场的分布式光纤传感，符合磁共振传感技术和光纤传感技术研究和发展的趋势，将促进光测磁共振相关领域的快速发展，为光纤分布式磁场传感广泛应用到民用和军用领域奠定了关键性理论和应用基础。与其他磁场传感器相比，该传感器体积小，操纵灵活，灵敏度高，在磁场空间内分布传感、光纤集成器件等领域都具有广阔的应用前景。对于促进我国新型光纤传感技术的发展与应用具有十分重要意义。.在该项目的资助下，共完成SCI收录论文18篇，其中申请人以通讯作者发表了SCI论文13篇，国际会议论文1篇，申请发明专利19项，其中获得授权的发明专利5项。